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Biotecnología
y biorremediación
Dr. Luis Wong Vega
 La
biorremediación puede ser definida
como el uso de organismos vivos,
componentes celulares y enzimas
libres, con el fin de realizar una
mineralización (compuesto orgánico
blanco --> CO2 + H2O), una
transformación parcial, la humificación
de los residuos o de agentes
contaminantes y una alteración del
estado redox de metales.
 La
biorremediación es llevada a cabo
fundamentalmente mediante el uso de
microorganismos y, en menor medida, de
plantas.

La biorremediación es un fenómeno
común en la naturaleza, cuando en un
ambiente o ecosistema se produce una
alteración del equilibrio como es el caso
de una gran tala de árboles, ello origina un
aumento considerable de materia orgánica
en el suelo.

Los factores que gobiernan la
biorremediación son complejos y pueden
variar enormemente dependiendo de la
aplicación.
 En muchos casos puede llegar a ser difícil
distinguir entre los factores bióticos y
abióticos que contribuyen con la
biorremediación.

En este caso los
factores físicos y
bióticos tratan de
reponer el daño, se
produce entonces un
aumento de organismos
saprófitos los cuales
ocasionan una gran
mineralización de la
materia caída, además
el resto de esa materia
puede ser reciclada o
humificada.



En general existen dos
estrategias para ayudar
a un ecosistema a
remediarse:
a) la primera es agregar
nutrientes de forma de
estimular las
poblaciones naturales y
así aumentando su
actividad y
b) la segunda es
introduciendo
microorganismos
exógenos dentro del
ecosistema como forma
de remediación.
 En
este último
caso con las
nuevas técnicas de
la ingeniería
genética se pueden
emplear
microorganismos
genéticamente
modificados,
haciéndolos más
eficientes en la
biorremediación.

Los ámbitos principales de la biorremediación
moderna son:
1. Biorremediación de hidrocarburos
provenientes de combustibles fósiles.
2. Biorremediación de Hidrocarburos
Aromáticos Polinucleares
3. Biorremediación de compuestos
xenobióticos
4. Biorremediación de metales pesados
Biorremediación de combustibles fósiles
 La descomposición microbiana de estos
hidrocarburos es de considerable importancia
económica y ambiental por los perjuicios que
ocasionan.
 Una de las principales causas de
contaminación del ambiente son los
derrames de petróleo.
 Estos
combustibles
causan graves
problemas de
contaminación
tanto al usarlos
como al
producirlos y
transportarlos.
Biorremediación de
Hidrocarburos Aromáticos
Polinucleares
 Los hidrocarburos aromáticos
polinucleares (HAPs)
constituyen un grupo de
contaminantes considerado de
estudio prioritario debido a sus
propiedades mutagénicas,
tóxicas y cancerígenas. En los
últimos años la acumulación de
estos ha ido aumentado.

Los compuestos
policíclicos
aromáticos
conforman una
familia grande de
especies
químicas muy
peligrosas.
La transferencia de
genes episomáticos
(contenidos en un
plásmido) entre bacterias
superficiales y
endofíticas, ha permitido
crear cepas endofíticas
que metabolizan
totalmente el tolueno, un
compuesto aromático
muy tóxico y muy difícil
de catabolizar.


Biorremediación de compuestos xenobióticos
Se denomina compuesto xenobióticos (xeno, vocablo
que significa extraño) a aquellos compuestos
sintetizados artificialmente por síntesis química con
fines industriales o agrícolas. Aunque estos
compuestos pueden ser semejante a los compuestos
naturales muchos son desconocidos en la
naturaleza. Así, los organismos capaces de
metabolizarlos no podrían existir en la naturaleza.
 Algunos
de los xenobióticos más
conocidos son los plaguicidas entre los
que se incluyen herbicidas, insecticidas,
nematicidas, funguicidas, etc..

La persistencia de xenobióticos, en su forma tóxica activa o
derivados igualmente tóxicos, en el suelo es larga.
Biorremediación de metales
pesados
 Otra importante área de
contaminación es la que
originan los metales
pesados. En este caso, el
mecanismo bioquímico
microbiano o vegetal, no es
la degradación del átomo
contaminante, sino que se
produce un cambio en el
estado de oxidación del
metal para su
detoxificación.

Metales pesados tóxicos.





Este cambio en el estado de oxidación
permite seguir varias estrategias de
biorremediación:
a) El metal se vuelve menos soluble y
precipita lo que hace que sea menos
utilizado por los organismos del ambiente.
b) Hace que se vuelva por el contrario más
soluble por lo que puede ser removido por
permeabilidad.
c) Permite que pueda haber una
volatilización del átomo.
d) Hacerlo en si menos tóxico para los
organismos del medio.

La biorremediación de suelos envenenados con
metales pesados, usando bacterias modificadas
genéticamente, es un campo en fuerte desarrollo.

Sus aplicaciones incluyen hasta la
descontaminación de desechos
radioactivos.
Ingeniería Genética Vegetal
y Fitorremediación

La contaminación ambiental
por metales y xenobióticos
es un problema global y el
desarrollo de métodos de
biorremediación para la
limpieza de suelos
contaminados, basada en el
uso de plantas
transgénicas, es de singular
interés e importancia.

Fitorremediación es un término
general usado para describir varios
mecanismos mediante los cuales las
plantas alteran la composición
química de la matriz del suelo en el
que están plantadas.

La palabra proviene del prefijo
griego phyto (que significa planta) y
del la raíz latina remidium (que
significa corregir o remover lo malo).

Lo malo se refiere al daño
antropogénico (hecho por el
hombre) al arrojar al medio
contaminantes tales como solventes
orgánicos, metales pesados,
pesticidas o radionúclidos.

Plantas hiperacumuladoras
pueden concentrar metales
pesados en sus partes una
relación de, al menos, 0.1%
metal / biomasa seca.
La Fitoacumulación o
fitoextracción consiste en la
traslocación de los metales
pesados o compuestos
inorgánicos, desde la
rizosfera hasta las propias
partes de la planta (brotes,
hojas, raíces, etc), los cuales
pueden ser separados y
eliminados adecuadamente.
En el otro caso, algunos
compuestos pueden ser
neutralizados químicamente y
eliminados (algunos pueden
ser volatilizados).

La fitorremediación actúa através de diversos
mecanismos, tales como la inmobilización del
elemento tóxico (fitoestabilización) o mediante
su remoción (fitodecontaminación).

La ingeniería genética de
plantas ha creado un nuevo
campo para la
Fitorremediación, pues la
posibilidad de emplear
genes detoxificadores para
incrementar esta capacidad
en plantas transgénicas,
abre enormes perspectivas
para su uso en el
tratamiento y recuperación
de suelos.

Tecnologías de Ingeniería
Genética de Plantas para la
Fitorremediación están
disponibles solo para un
grupo limitado de
problemas ambientales,
tales como en el caso de la
acumulación de arsénico,
un elemento altamente
tóxico generado por
algunas actividades
industriales y sobre todo
por la minería.

La remoción de arsénico
por fitorremediación
emplea un
hiperacumulador natural
de este metal: una
variedad de helechos, los
cuales lo extraen del suelo
y acumulan una gran
cantidad de este metal en
los tejidos de sus partes
aéreas.
 Esquemas
muy sofisticados, basados
en la acción combinada de dos genes
de detoxificación, han sido diseñados
en plantas transgénicas, desarolladas
para la remoción de mercurio o
arsénico por fitorremediación.

Esquema de
detoxificación
metabólica de
Mercurio (Hg) y
Arsénico (As).

Dhankher et al. examined the
effects of coexpressing two
bacterial genes, arsenate reductase
(arsC) and y-glutamylcysteine
synthetase (y-ECS), in Arabidopsis
plants. They observed that plants
expressing SRS1p/ArsC and
ACT2p/ y-ECS together showed
substantially greater arsenic
tolerance than wild-type plants or
plants expressing y-ECS alone. In
addition, when grown on arsenic,
these plants accumulated 4-17-fold
greater fresh shoot weight and
accumulated 2- 3-fold more arsenic
per gram of tissue than wild-type
plants or plants expressing y-ECS
or ArsC alone.

Nature Biotechnology,
DOI:10.1038/nbt747, October 7,
2002).

En plantas que de manera
natural hiperacumulan zinc
(Zn) en sus hojas,
aproximadamente diez
genes claves en la
homeostasis celular son
expresados a la vez, a
niveles muy altos. Los
mismos se conocen y ya
están siendo modificados y
empleados para estos fines.



La enzima AtCpNifS regula la
acumulación y el metabolismo
en los plastidios, tanto del azufre
(S) como del selenio (Se).
AtCpNifS es una enzima de
localización cloroplástica,
proveniente de Arabidopsis
thaliana, que forma azufre
elemental y alanina, a partir de
cisteína (Cys) o selenio
elemental y alanina a partir de
selenocisteína (SeCys).
Su expresión en plantas que
acumula selenio está siendo
analizada para limpiar estos
metales de suelos altamente
contaminados.
 Reacción
de detoxificación del Selenio
intermediada por la Cisteína.

Se han diseñado diversas estrategias de
ingeniería metabólica, bastante exitosas,
para la fitorremediación del Selenio en
plantas transgénicas.

Plantas transgénicas de
Brassica juncacea que
sobreproducen proteínas
denominadas
“fitoquelatinas”
(proteínas que fijan
metales) han demostrado
una alta capacidad de
detoxificar cadmio (Cd).

Different transgenic mustard plants
that overproduce phytochelatins were
shown to have increased cadmium
tolerance and accumulation: Plant
Physiology 119:73-79 (1999); Plant
Physiology 121:1169-1177 (1999).

Plantas transgénicas que sobre-expresan genes de
la enzima ATP-sulfurilasa acumula grandes
cantidades de molibdeno (Mo), tungsteno (W) y
vanadio (V), en un proceso que involucra captura
de azufre y activación de mecanismos de
generación de oxianiones.
 La
ingeniería genética de plantas,
para su uso en la fitorremediación,
necesita de análisis adicionales que
lleven al descubrimiento de más
genes involucrados en estos
procesos.




Así mismo, necesita de:
a) resultados de estudios sobre
el desarrollo de poblaciones
segregantes y
b) datos sobre la bioquimica de
la concentración de
multielementos y sus perfiles,
en diferentes tipos de plantas.
Toda esta información es
necesaria para tener una visión
completa sobre los
mecanismos moleculares que
dirigen la hiperacumulación de
metales en especies vegetales
detoxificadoras de suelos.
Preocupaciones en torno a la
biorremediación…


La biorremediación es un campo
reciente, en donde se comienza a
tener las herramientas necesarias
para utilizarla pero, como todo lo que
toca a la biotecnología, es un tema
controvertido e influenciado por el
desconocimiento público.
Los temores sobre lo que pueda
pasar si se liberan al medio genes
nuevos o modificados son reales.
¿Pueden estos microorganismos o
plantas modificar las poblaciones
naturales? ¿Hasta que punto?

Se piensa que cepas modificadas genéticamente y que
sean liberadas en el medio podrían difundirse a otros
lugares no contaminados o bien una vez hubieran hecho
su faena descontaminadora degradando todo el
contaminante, estas persistirían allí, aumentando el
riesgo de transferencia genética horizontal (pasándoles
los genes a otras especies).

Por un lado, no se ha
probado este tipo de
transferencia en casos
de plantas transgénicas
y, por otro, los
organismos
transgénicos se diseñan

con controles para
prevenir esta
posibilidad.
Por ejemplo, utilizando una cepa suicida
modificada genéticamente. La cepa degradadora
contiene un gen letal tal como la colicina E3Rnasa
debajo el control de un promotor regulado por un
represor dependiente de un corepresor ( que sería
el hidrocarburo a degradar). Es decir un control
negativo reprimible. De esta manera si el
microorganismo se va del lugar de acción o el
contaminante es totalmente degradado, al no
existir corepresor en el medio, el represor no
podría actuar y por lo tanto se expresaría el gen
letal matando a la célula. Sin embargo si se
mantiene en la zona contaminada y queda
contaminante para degradar el represor reprimirá el
gen letal.

Otro tipo de control de riesgo serían las cepas biosensoras.
Consiste en hacer otra fusión génica entre un promotor
regulado por un activador inducido por el contaminante y un gen
reportero fácil de detectar, como es el caso del gen lux. Esta
cepa biosensora nos permitiría monitorizar in situ como va el
proceso de degradación mediante la producción de
bioluminiscencia (más luz producida indicará mayor grado de
degradación). En estas cepas se busca aumentar la eficiencia
metabólica de las vías degradativas espécíficamente.
¿Tiene sentido la
investigación en
biorremediación
en la República
Dominicana?
El tercer lugar más contaminado
del mundo es Haina (República
Dominicana). Los restos de una
planta de reciclaje de baterías de
vehículos, ya clausurada, afectan
todavía a una población de 85.000
habitantes, que viven inmersos en
restos de ácidos, plomo, etc.
Plantas como el gandul
(Cajanus cajan) o el cajuil
(Anacaridum occidentale)
tienen un gran potencial
como especies tropicales
potencialmente útiles
para la biorremediación,
pues poseen tolerancia a
suelos de diferente
naturaleza (alcalinos, con
alto contenido en
aluminio y otros metales,
etc) y crecen con
bastante facilidad.
Los niveles de contaminación del Río Ozama son
extremadamente altos. Su limpieza puede hacerse empleando
medios como microorganismos detoxificantes.


Este proceso comprende
procesos de digestión y
fermentación básicamente
realizada por bacterias,
modificadas
genéticamente o no.
El resultado final es la
producción de CO2 y
Metano, con lo que se
logra una disminución del
contenido de sustancia
orgánica.
Conclusiones..




La biorremediación es una práctica que está
tomando importancia a nivel mundial dado que el
aumento de la actividad industrial está degradando
cada vez más los ecosistemas naturales.
El empleo de microorganismos conocidos y de
especies vegetales para el tratamiento de desechos
potencialmente tóxicos ya es una práctica habitual
en países desarrollados.
Las herramientas de la Ingeniería genética ha abierto
un nuevo campo de posibilidades en cuanto a la
biorremediación de condiciones muy complejas.
Para los países en desarrollo, la biorremediación no
es un lujo sino una necesidad.
!!!Muchas Gracias!!!